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与中国汽车工程师共同成长

Flux在感应电机设计中的应用

Growing Up with Vehicle Engineers
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1、概述

2、感应电机性能指标与基本尺寸

3、使用Altair Flux进行感应电机仿真

4、试验

5、结论

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一、概述

感应电动机是一种将电能转换成机械能的交流电机，其运行转 速与所接电源频率之比不是恒值，所以感应电动机也称为异步
电动机。

感应电机由于其结构简单，制造、使用和维护方便，运行可靠，
在各行各业中具有大量的应用。在各种电气传动系统中，有
90%左右采用感应电动机驱动，在电网总负载中，异步电动机
占60%左右。

在分析计算感应电动机运行性能时，最常用的是等效电路和 向量图方法。等效电路计算方法中， T形等效电路的计算精度 相对较高，但由于早期计算机不够普及，需要借助手算来完成 电机计算工作，因此实际中大多采用简化的T形等效电路，即
把T形等效电路中的励磁支路移到电源端，形成L形等效电路。

但这种L形等效电路的计算仍然非常复杂，故在实际运用中将 校正系数设置为1,构成简化的L形等效电路。这种简化应用于 中大型电机计算时可保证一定的准确度，也可见于目前常用的 感应电机快速计算程序之中。但对于小型电机计算应用，由于 定子绕组阻抗不能忽略，使用简化的L形等效电路会引起较大
误差。

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向量图方法通过等效电路计算获得的定子绕组电压、电动势、 电流向量以及转子绕组的电动势、电流向量折算值等参数进行
绘制，因此向量图精度依赖于等效电路参数的精度。

随着计算技术的发展，在感应电动机的性能计算中也出现了很 多方法，其中以有限元方法应用最为普遍。为了保证感应电动 机计算的准确度，有必要使用有限元法对电动机的内部电磁场
进行计算。

Altair Flux是目前应用最广泛、使用最方便的电磁有限元分析 软件之一，其特有的交流稳态2D 磁 场 ( 2D Steady State AC Magnetic) 和斜槽(Skew) 模块具有针对感应电机分析的专 用功能，其精度也得到了全球广泛认可。 Flux除了可以进行电
机电磁场分析，还可以进行热分析、电磁热耦合分析等。

本文以某设备用22kw4 极感应电机为例，较为详细地说明了使 用Altair Flux软件对感应电机电磁场进行建模分析以及计算电
机T-S 曲线的具体过程，并与样机测试结果对比。

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2.2电机基本尺寸见表

2.感应电机性能指标与基本尺寸
2.1电机性能要求见下表。

功率因数
COs中
额定转矩
Tn
最大转矩倍 数Tm
起动电流倍 数Ist
起动转矩倍 数Tst
>0.8
154
>2.8
<6
>2.8

Number of Stator Slots;
36
Outer Diameter of Stator(mm):
250
Inner Diameter of Stator(mm):
160
Stator Slot

hs0(mm):
0.5
hs12 (mm):
16.8
bs0(mm):
3.8
bsl(mm):
6.7
Rs(mm):
9.4
Number of Rotor Slots:
44
Air Gap(mm):
0.5
Outer Diameter of Rotor(mm):
159
Inner Diameter of Rotor(mm):
60
Rotor Slot

hr0(mm):
0.5
hr12 (mm):
19.8
B02 (mm):
1
brl(mm):
4.8
br2(mm):
2
Skew Width(Stator slot):
1.4

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3.使用AltairFlux进行感应电机仿真

Flux在仿真感应电机中最大的优势即是其可以通过交流稳态 磁场对电机的T-S曲线进行准确的仿真。感应电机仿真过程从 计算T-S曲线开始，然后通过T-S曲线可以查找获得额定点、最 大转矩点、起动转矩点等需要的输入参数。 Flux软件仿真按照 标准的有限元处理流程，分为前处理、网格划分、物理属性设
置、求解、和后处理。

3.1前处理

3.1.1模型建立

Flux软件中电机模型建立主要通过以下几种途径：
1)外部几何模型导入；

2)使用overlay进行建模；

3)使用Flux软件内嵌几何建模器；
4)使用Python 命令流建模。

其中最方便的是外部几何模型导入，但其不容易实现几何参数 化。其次是overlay,overlay 既可以参数化，建模速度也快， 但其模型只能在overlay内置模型的基础上进行建立，限制了 模型拓扑结构自定义能力。使用Flux软件内嵌几何建模器或者
Python 命令都能够方便进行几何参数化建模。

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本文中感应电机采用转子斜槽，故需要使用FLUX 针对斜槽电 机的专用斜槽模块FluxSKEW。 斜槽模块以2D 模型为参考，采 用多层2D 模型的方式进行计算，并通过内部算法建立获得三 维模型进行结果计算处理，可以明显提高计算的准确性。本例
的模型使用导入外部DXF 文件的方式建立模型。模型见下图：

图3.1感应电机几何模型图
3.1.2材料建立

感应电机仿真所使用的材料主要包括定子冲片、转子冲片、
鼠笼、端环材料，定子和转子铁芯材料通常使用相同的材料，
本例鼠笼采用铸铝转子，其和端环采用相同的材料。

Flux拥有强大的材料库，包含很多国内外的硅钢片型号。本 例使用的材料为50ww600, 仿真采用材料供应厂商提供的BH 曲线数据，在Flux软件中新建硅钢片材料属性BH 曲线。硅钢
片磁化曲线数据见下表：

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磁感强度 B
T
0
0.396485 0.442882 0.497715 0.544112 0.594728 0.645343 0.695958 0.746573 0.797188 0.847803
0.8942
0.949033 0.995431 1.046046 1.096661 1.143058 1.193673 1.244288 1.294903 1.349736 1.396134
1.455185
1.501582 1.547979 1.598594
1.653427
1.699824 1.746221
1.792619

磁场强度H
A/m
0
78.558752
82.890915
87.461978
93.2812
98.42524
103.852951
109.579976
115.62282
121.998901
130.116013
137.291328
148.00637
159.557679
173.86713
191.504829
210.93176
237.371823
275.869552
327.569394
401.689316
531.024484
789.998015
1162.719572
1674.939106
2491.784483
3667.409958
5115.594173
7290.505662
9953.351291

表3.1 BH 曲线数据

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3.1.3网格划分

Flux拥有非常强大的网格剖分系统，包括自动网格划分设置和 灵活的手动控制方法，通常使用默认设置便可得到高质量的网
格，本例感应电机剖分网格数量及剖分质量如下：

20:03:15 400 sec. 2316 lst order lineic elements

created

20:03:15 400 sec. Generating 2nd order elements is
running

Total number of nodes --> 35023

20:03:15 400 sec. End generating 2nd order elements
Surface elements:

Number of elements not evaluated :0 %

Number of excellent quality elements:7.56 %
Number of good quality elements :2.02 %

Number of average quality elements :0.42 %

Numberof poor quality elements :0 %

meshDomain executed
剖分后的模型如图所示：

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图3.2网格剖分

3.1.4电路建立

感应电机的T-S曲线就是感应电机的一个实际的起动过程，
感应电机在使用时直接接入三相电源，故在电路中建立三相
电压源供电电路，绕组电阻等参数按照路算结果设定。

感应电机仿真区别于其他类型电机的是其需要定义鼠笼参数。
T形等效电路计算感应电机性能时通过转子折算求得鼠笼参
数，但在Flux有限元仿真中需要分别指定两导条间的电阻和 电感。感应电机的起动性能对鼠笼两导条间的电感敏感性非 常强，如果想要得到非常精确的结果，必须使用3D 进行求解。 经过多台样机的验证， Flux帮助文档给出的端环计算方法的 准确性完全可以满足精度需求，本次采用Flux软件帮助文件
中提供的方法计算鼠笼两导条间的电阻和电感。结果见下表：

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slip
La
Ra
0.01
5.9251E-09
2.9534E-06
0.1
5.9252E-09
2.9539E-06
0.2
5.9256E-09
2.9557E-06
0.3
5.9262E-09
2.9586E-06
0.4
5.9271E-09
2.9627E-06
0.5
5.9283E-09
2.9680E-06
0.6
5.9297E-09
2.9744E-06
0.7
5.9314E-09
2.9819E-06
0.8
5.9333E-09
2.9907E-06
0.9
5.9354E-09
3.0005E-06
1
5.9378E-09
3.0116E-06

表3.2转子两导条间电感La、 电阻Ra

具体计算步骤参见Flux帮助文档
《FluxSkew TutorialTechnical InductionMotor.pdf》 中
的7.2.3。

完成后的电路见下图：

图3.3分析电路

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园

3.1.5机械属性设置

在感应电机中，机械属性设置较为简单，只有一个定子和一个
转子，定子机械类型设置为fixed; 转子类型设置为Rotation
around one axis,感应电机转差设置一个变量slip,这个变量
即为转差率，求解也是通过扫描这个转差率来求解的。

Edit Mechanical set[STATOR] × Edit Mechanical set[ROTOR] X
Mechanical set name *
ROTOR
Comment

Type of mechanical set-
Rotation around one axis
Axis Kinematics
Type of kinematics
Multi static
Optional value for slip(induction machine) SLIP

Mechanical set sub-system1
MECHANICAL SYSTEM 1
_ _
园
Mechanical set name*
STATOR
Comment
Type of mechanical set
Fixed
OK Apply
Mechanical set sub-system
Cancel
Apply
Cancel
OK
fO

图3.4机械设置
3.2求解

Flux中内置了多种线性和非线性求解器，对于线性求解器， 一般
不需要过多的设置，主要需要设置收敛准则及非线性求解器中牛
顿拉普森松弛因子的算法。对于收敛准则，原则上是公差越小精
度越高，但是过小的公差会造成更长的求解时间，所以这里按照
默认设置。

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求解问题为转差率slip参数的扫描，这个slip的设置准则是：根据
路算结果把额定点转差、最大转矩点转差、起动转矩点转差附近
的点都需要设置的密一些，因为只有这几个点是有用的。
本次计算具体设置如下：
control:SLIP(Reference
Multi-values
Parameter control {List of resulting values
Interval definition
Lower limit
Higher limit
Variation method
Step value

Clear last interval
Intervals table
Lower limit Higher limit 0.01 0.1
0.45
0.45 0.6
0.6 0.8
1.0
Step value Step value Step value Step value Step value
-Parameter
Control type
0.002 0.05
0.01
0.05 0.01
Step value
value:0.01)
Method
Values
1.0
>>

图3.5求解设置
3.3后处理

FLUX 拥有非常强大的后处理功能，几乎可以找到你需要的任何
数据。本次求解主要需要获得转矩-转差曲线、功率因数-转差曲
线、电流-转差曲线，磁密云图等。

3.3.1转矩-转差曲线

MS CURVE
Mechanical set /Magnetic torque [ROTOR]

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Mean
values:
Rectified mean
values:
Rms
values:
Integral
values:
Minimal
values:
Maximal
values:
429.2265
429.2265
441.4311
424.9342
31.9660
496.4349

3.3.2功率因数-转差曲线

COSPHI

COS PHI

Mean
values:
Rectified mean
values:
Rms

values:
Integral
values:
Minimal
values:
Maximal
values:
0.7739
0.7739
0.7766
0.7662
0.5744
0.8921

3.3.3电流-转差曲线
CURRENT
Circult / Current - ms value [COILCONDUCTOR 1]
CruuL/Gne me vaueICQLCoNDUCTOR- 1I(A)
1750E0
150020
125000
1000E0:
7500E0
5000E0:
2500E0=
Raset 200B3
Circuit /Current - ms value [COILCONDUCTOR 2]
crwtiqurer-ms vaueICOLCoNDUCTOR Z(A)
1750E01
1500E0
12S.0E0=
100.0E0-
7500E0-
83000E0
2500E0-
26006-3
value[COILCONDUCTOR 3]
Crout (Qre
175.0E01
150.0E0:
12S.0E0
100.0E0=
73C0BO
5000E0-
2500E0-
Reset
Reret
Circuit /Current-rs
* *** ▶-csut/Guent-ms yaue EOLCOnDUcToR n()
sDacE- 7 0 压 3
mm vahs EOLCONDUCT0R 21(A)
rs vaue ICOLCONDUCTOR 3(A)
POLDTOn)
四D006
700.06-9
m wt
200E)
60006-3
/

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Rms values:

U
V
W

132.6877

131.4738

131.8174

3.3.4磁密云图

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4.试验

电机仿真的真正目的是为了模拟试验，通过在仿真阶段发现问
题并解决问题，以提高样机试制的一次成功率。考虑到生产加 工及制造的不确定性，本次试制了三台同样的电机，最终以三
台电机试验结果的平均值与仿真结果进行对比。
试制完成后对电机进行了相关的试验，试验结果与仿真结果对
比见下表：

表4.1数据对比

功率因数cosφ
额定转矩
In
最大转矩倍数
Tm
起动电流倍数
Ist
起动转矩倍数
Tst
设计要求
>0.8
154
>2.8
<6
>2.8
仿真值
0.89
154.
3.12
5.41
3.14
样机1
0.90
154
3.22
5.27
3.22
样机2
0.90
154
3.19
5.24
3.19
样机3
0.90
154
3.20
5.35
3.27
平均误差
1.12%
0.00%
2.67%
-2.28%
2.76%

从样机试验数据可以看出， Flux计算精度较高，误差在3%以内，
完全可以满足实际需求，设计值满足试验值，完全可以取代试
验来验证电机性能。

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5.结论

(1)Flux 作为专业的电磁有限元分析软件，具有较强的前 后处理功能和较高的分析精度，并且易学、易用。
(2)Flux 应用于感应电机设计非常方便，后处理功能强大， 结果与试验值接近，高效可靠。有助于降低产品研发成本， 缩短研发周期。
(3)本文简要地对Flux应用于感应电机电磁计算的步骤和 精度进行了介绍，由于篇幅问题，并未过多介绍热仿真部分。 Flux在电磁-热耦合计算方面也有很多的应用，热分析结果
同样保持相当的精确性。

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